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    北海道大學龔劍萍教授課題組PNAS:建構具有記憶和遺忘行為的水凝膠
    2020-07-29  來源:高分子科技

      水凝膠像人體組織一樣具有軟濕的特性,是模仿生物功能的極佳候選者。近期,北海道大學龔劍萍(Jian Ping Gong)教授課題組發現水凝膠材料可像“人腦”一樣對信息進行編碼、提取和自發地遺忘。


      通過學習,人腦能夠記住信息,且記住的信息隨時間的推移會被人腦自發地遺忘。遺忘可以過濾掉不重要的信息和噪音,從而維持大腦的高效運行。遺忘是一個動態的過程;遺忘時間一般跟學習的時間與學習的狀態有關。用人造材料再現動態可控的記憶-遺忘過程具有相當的挑戰。龔教授團隊近日報道了水凝膠材料能夠模仿人腦的動態記憶-遺忘功能,即水凝膠能夠“記住”信息,這些信息隨著時間的流逝而逐漸消失,且“記憶時間”的長短取決于“學習”的強度。


      龔教授團隊指出,基于快速的水吸收與緩慢的水釋放,眾多含有動態鍵(如離子鍵和氫鍵)的水凝膠皆可實現動態的記憶-遺忘過程。該研究以常見的、含有大量離子鍵的聚兩性電解質水凝膠(PA膠)為例。首先,透明的PA膠在低溫水浴中達到平衡。然后,將該凝膠移至高溫水浴中進行局部的“熱學習”。熱學習區域在高溫過程中會吸收水分,發生微小膨脹,從而“記住”相應的信息。當該PA膠轉移至低溫水浴時,經熱學習的區域會由透明轉變為渾濁,實現信息的讀取(圖1)。渾濁區域在低溫下處于非穩態,會收縮回復,并釋放水分,自發地轉變為透明的穩定狀態,從而實現信息的動態遺忘過程(圖2)。其中,該過程只涉及物理變化。高溫與低溫的選擇是任意的,較小的溫差就能產生明顯的透明度變化。凝膠的熱學習時間越長或者熱學習溫度越高可產生更強的記憶印記,因此遺忘的時間也越長(圖2)。


    圖1、凝膠的熱學習過程及記憶


    圖2、凝膠的自發遺忘過程(tL,tF,TL,TF分別為學習時間,遺忘時間,學習溫度和遺忘溫度。)


      該團隊表明,在水凝膠中建立的記憶對于溫度波動(圖1)和大的物理拉伸是穩定的。更有趣的是,遺忘過程可以通過調節熱學習時間或熱學習溫度來調控。例如,在PA凝膠中,對“GEL”的每個字母使用不同的學習時間時,這些字母會依次消失(圖3)。因此,通過調控凝膠不同區域的熱學習時間或者熱學習溫度,就可以實現不同區域信息的序列遺忘。


    圖3、凝膠的序列遺忘過程


      相關的實驗數據及詳細的原理論證已發表在PNAS期刊上(DOI: 10.1073/pnas.2006842117)。文章的第一作者是博士研究生余承濤,通訊作者為崔昆朋助理教授龔劍萍教授


      原文鏈接:https://www.pnas.org/content/early/2020/07/23/2006842117


      龔教授課題組當前的主要研究方向之一是建構多尺度結構與水凝膠性能的聯系。譬如,粘彈性水凝膠的多尺度結構與增韌(Phys. Rev. Lett. 2018, 121, 185501; Macromolecules 2019, 52, 7369; Macromolecules 2020, 53, 5116)、抗疲勞(PNAS 2020, 117, 7606)和膨脹/收縮動力學(本論文及相關工作)之間的關系。以期用多尺度結構的觀點,指導水凝膠的設計與多功能應用。課題組的網頁鏈接為http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g2/member_e.html,歡迎廣大同仁及相關領域研究者交流指導。

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